引 言

如今，在高校里，課堂考勤已經(jīng)成了學(xué)生管理層面不可缺少的一環(huán)，直接決定了學(xué)校教學(xué)質(zhì)量的好壞 [1]。經(jīng)過(guò)抽樣調(diào)查統(tǒng)計(jì)，如今六成以上大學(xué)的課堂考勤方式依然為簡(jiǎn)單的人工考勤，耗時(shí)長(zhǎng)、準(zhǔn)確性低、統(tǒng)計(jì)信息分散易丟失，且存在代到情況。其他的一些電子考勤系統(tǒng)，例如教師考勤機(jī)以及指紋考勤系統(tǒng)等也都存在耗時(shí)長(zhǎng)以及部署難、成本高等缺點(diǎn)。此種情況下，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)兼具快速性、準(zhǔn)確性，利用已有硬件設(shè)施的低成本考勤系統(tǒng)很有必要。

1 課堂考勤系統(tǒng)的性能指標(biāo)

衡量一個(gè)課堂考勤系統(tǒng)的優(yōu)劣有三個(gè)關(guān)鍵維度 [2] ：準(zhǔn)確性、快速性、部署難易程度。準(zhǔn)確性是最關(guān)鍵、最基本的一個(gè)維度，它可分為三要素，即時(shí)間、地點(diǎn)、人物。只有保證這三者與課程表完全對(duì)應(yīng)才能保證考勤系統(tǒng)是有價(jià)值的并且可以投入使用 ；快速性決定了完成課堂考勤工作的時(shí)間，快速性好的考勤系統(tǒng)可以省下更多的課堂時(shí)間用于授課。

2 現(xiàn)有考勤系統(tǒng)

(1) 人工考勤。此種考勤方式為上課的前幾分鐘教師或班長(zhǎng)根據(jù)名單進(jìn)行點(diǎn)名。缺點(diǎn)為耗費(fèi)時(shí)間（平均 50個(gè)人的班級(jí)需要 2 min 結(jié)束考勤），并且準(zhǔn)確性低，存在人為代到的情況，考勤信息分散不利于統(tǒng)計(jì)且不利于保存 ；優(yōu)點(diǎn)為流程簡(jiǎn)單，成本低。

(2) 教師機(jī)考勤。此種方式邏輯簡(jiǎn)單，學(xué)生依次去老師的設(shè)備上通過(guò)人臉識(shí)別等方式進(jìn)行考勤，屬于串行考勤方式。優(yōu)點(diǎn)為準(zhǔn)確性好，不需要部署硬件且成本低。缺點(diǎn)為甚至比人工考勤還要耗時(shí)并且一定程度上容易引起課堂秩序的混亂。各個(gè)教師統(tǒng)計(jì)出來(lái)的信息是獨(dú)立的，不利于發(fā)揮數(shù)據(jù)的價(jià)值。

(3) 指紋識(shí)別考勤系統(tǒng) [3-6]。此種方式使用較廣泛，但對(duì)考勤人員皮膚質(zhì)量要求較高，皮膚出現(xiàn)蛻皮等情況將無(wú)法進(jìn)行指紋識(shí)別，所以該方式準(zhǔn)確性一般。指紋識(shí)別考勤機(jī)為串行考勤，考勤人員需排隊(duì)，所以浪費(fèi)時(shí)間，快速性差，且考勤需要額外部署考勤機(jī)等硬件，部署成本高。

(4) 人臉識(shí)別考勤系統(tǒng) [6-7]。人臉識(shí)別考勤方式通過(guò)精確度較高的人臉識(shí)別技術(shù)，有效地解決了常規(guī)考勤方式人為代替考勤的問(wèn)題，準(zhǔn)確性高 ；但同指紋識(shí)別考勤系統(tǒng)一樣， 存在快速性差及部署困難的缺點(diǎn)。

(5) 基于 WiFi 定位 + 人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)。本文提出的此種考勤方式，通過(guò)學(xué)生手持設(shè)備的 WiFi定位結(jié)合人臉識(shí)別確定學(xué)生身份的唯一性，故保證了準(zhǔn)確性高?？记诜绞綖椴⑿锌记冢腥送瑫r(shí)進(jìn)行考勤工作，且服務(wù)器架構(gòu)支持高并發(fā)，故快速性好。本文以西北大學(xué)為例，此系統(tǒng)建立在現(xiàn)有的校園 WiFi基站架構(gòu)之上，通過(guò)算法使原本為通信設(shè)計(jì)的 WiFi熱點(diǎn)也可用來(lái)進(jìn)行精確定位，不需要額外硬件部署， 所以成本低，推廣使用簡(jiǎn)單。

基于三種性能指標(biāo)的幾種考勤系統(tǒng)性能比較見(jiàn)表1 所列。

3 基于 WiFi 定位與人臉識(shí)別的考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

基于 WiFi 定位與人臉識(shí)別的考勤系統(tǒng)由考勤終端（智能手機(jī)）、人臉識(shí)別服務(wù)器、圖片服務(wù)器、分流服務(wù)器、中間服務(wù)器、考勤服務(wù)器以及 WiFi 基站組成。人臉識(shí)別服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)學(xué)生人臉判別，圖片服務(wù)器存放學(xué)生的人臉信息數(shù)據(jù)庫(kù)，分流服務(wù)器和中間服務(wù)器起到高并發(fā)負(fù)載均衡作用?？记诜?wù)器完成考勤工作并部署 MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)學(xué)生考勤歷史信息。考勤終端提供教師及學(xué)生登錄，與服務(wù)間采用C/S 架構(gòu)，學(xué)生登錄可完成日?？记诩安樵儽救藲v史考勤信息，教師登錄可以根據(jù)需求查詢、修改、統(tǒng)計(jì)所轄班級(jí)所有學(xué)生的歷史考勤信息。

3.2 系統(tǒng)功能

教師端 ：下達(dá)單次考勤命令 ；查詢所轄班級(jí)歷史考勤信息。

學(xué)生端 ：完成日?？记?；查看本人歷史考勤信息。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 考勤流程及實(shí)現(xiàn)

一節(jié)課開(kāi)始教師登錄點(diǎn)擊一鍵考勤，學(xué)生拿出手機(jī)，登錄后點(diǎn)擊簽到，智能終端將打開(kāi)前置攝像頭拍攝學(xué)生實(shí)時(shí)人臉圖片后發(fā)送到人臉識(shí)別服務(wù)器。人臉識(shí)別服務(wù)器根據(jù)學(xué)生登錄信息以及實(shí)時(shí)拍攝的人臉圖片向圖片服務(wù)器請(qǐng)求學(xué)生人臉圖片，并計(jì)算實(shí)時(shí)照片與存檔圖片的匹配度。若匹配度不符合要求，則簽到失敗并提示重新簽到，若符合要求，終端將調(diào)用定位模塊進(jìn)行位置匹配。如位置符合要求則在考勤服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中添加此學(xué)生考勤成功信息，并同時(shí)將成功信息返回給終端，在終端顯示考勤成功 ；否則返回失敗信息顯示簽到失敗。如果有學(xué)生遲到后考勤成功，數(shù)據(jù)庫(kù)將記錄學(xué)生遲到信息。具體邏輯流程如圖 1 所示。

4.2 信息查詢流程及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)，面向教師及學(xué)生，教師登錄系統(tǒng)可查看所轄某班級(jí)的整體考勤歷史信息、所轄某班級(jí)某個(gè)人的考勤歷史信息，并且可以下載匯總 Excel 表格以便對(duì)平時(shí)成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。學(xué)生登錄系統(tǒng)可查看并核對(duì)自己本學(xué)期的歷史考勤信息。

5 核心技術(shù)模塊實(shí)現(xiàn)

5.1 人臉識(shí)別

調(diào)用百度人臉識(shí)別接口，此接口通過(guò)提取人臉的特征， 計(jì)算兩張人臉的相似度，從而判斷是否為同一個(gè)人，并給出相似度評(píng)分。在已知用戶 ID 的情況下幫助確認(rèn)是否為用戶本人的對(duì)比操作，即 1∶1 身份驗(yàn)證。接口同時(shí)采取了活體檢測(cè)技術(shù)，保證上傳“照片的照片”會(huì)被檢測(cè)到從而導(dǎo)致簽到失敗。

5.2 精確定位

本文提出的精確定位技術(shù)利用教室位置指紋信息 [8] 進(jìn)行定位。以西北大學(xué)為例，因?yàn)槊總€(gè)教室已經(jīng)部署了相同品牌的無(wú)線接入點(diǎn)（Access Point，AP）以達(dá)到 WiFi 覆蓋及終端無(wú)縫漫游的效果，所以教學(xué)樓的每個(gè)教室都有唯一的位置指紋信息。無(wú)線 AP 周期性地發(fā)送一個(gè) beacon 幀以告知周圍無(wú)線設(shè)備自己的存在（通常每隔 100 ms 發(fā)送一次）。beacon 幀中包含無(wú)線 AP 的 MAC 地址，此 MAC 地址作為無(wú)線 AP 的身份標(biāo)識(shí)，與幀中的 RSS（信號(hào)強(qiáng)度）一起組成“位置指紋信息”。本考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的位置指紋信息結(jié)構(gòu)如下 ：

R（P）={MAC1 ：RSS1}

式中：P 代表具體位置；大括號(hào)內(nèi)為此位置的位置指紋信息； MAC1 代表此位置所能檢測(cè)到的 RSS（信號(hào)強(qiáng)度）最強(qiáng)的無(wú)線 AP 的 MAC 地址；RSS1 代表此位置檢測(cè)到的 RSS 最強(qiáng)的無(wú)線 AP 的 RSS 值。

本文提出的考勤系統(tǒng)中的精確定位不同于以往的 WiFi 精準(zhǔn)定位，課堂考勤系統(tǒng)中的終端定位精度需求是定位到教室而非定位到室內(nèi)特定位置。一般的 WiFi 精準(zhǔn)定位技術(shù) [9-10] 是獲取實(shí)時(shí)位置指紋后，通過(guò)匹配數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)先存儲(chǔ)好的最近鄰位置指紋信息以獲取當(dāng)前位置 ；而本文的課堂考勤系統(tǒng)在獲取終端實(shí)時(shí)位置指紋后，判別該終端是否在正確的位置上。具體方法如下。

(1) 離線階段。在每個(gè)教室中心位置多次采集位置指紋信息后取平均值，作為此教室的位置指紋，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

(2) 定位階段。根據(jù)學(xué)生移動(dòng)終端上傳的實(shí)時(shí)采集到的位置指紋信息的值以及學(xué)生的登錄信息，在數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢到學(xué)生上課的教室以及該教室對(duì)應(yīng)的預(yù)先存入的位置指紋信息的值，并計(jì)算其與移動(dòng)端實(shí)時(shí)上傳位置指紋信息差值的絕對(duì)值，若在一閾值范圍內(nèi)，則判定考勤位置符合要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文所提系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，在西北大學(xué)多個(gè)教室測(cè)試了考勤系統(tǒng)的精準(zhǔn)程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，軟件滿足了考勤系統(tǒng)的基本需要。

相比傳統(tǒng)考勤方式，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）準(zhǔn)確性高。系統(tǒng)采取一個(gè) 55 人班級(jí)做實(shí)驗(yàn)，并事先安排 5 人用人臉照片進(jìn)行人臉識(shí)別，另外 5 人在隔壁教室等非規(guī)定教室位置進(jìn)行考勤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為預(yù)先安排的 10 人均未通過(guò)考勤，且其他人員全部通過(guò)考勤，結(jié)果表明系統(tǒng)的準(zhǔn)確性很高。

（2）快速性好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明平均 55 人的班級(jí)采用此系統(tǒng)考勤從考勤開(kāi)始到考勤結(jié)束所需時(shí)間為 15 ～ 20 s，所以系統(tǒng)快速性良好。

（3）不需要額外部署硬件。實(shí)驗(yàn)環(huán)境的每個(gè)教室天花板的中心位置都已經(jīng)安裝了無(wú)線 AP，此配置符合教室定位的要求，所以不需要部署硬件。